丹江生態(tài)流量計算研究

李 偉 朱閣晨 任澤垠2,

(1.南陽市河務(wù)處，河南 南陽 473007；2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 南陽 473003；3.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 南陽 473003)

丹江是漢江的重要支流，其干流水力資源相對豐富，在河南省境內(nèi)丹江干流上建有兩座小型水電站，水力資源開發(fā)在為經(jīng)濟社會提供了清潔能源的同時也對下游河道生態(tài)造成了不利影響，其生態(tài)成本不容忽視。丹江下游分布有丹江濕地國家級自然保護區(qū)，保護丹江干流生態(tài)對于丹江濕地自然保護區(qū)的生態(tài)保護具有重要意義，而如何科學合理地確定丹江干流生態(tài)流量是一個重要的問題。本文通過多種方法對丹江干流生態(tài)流量進行了初步計算，并提出了保障措施和建議。

1 河道概況

1.1 河道流域情況

丹江是漢江最大的支流，是南水北調(diào)中線工程水源地丹江口水庫主要入庫河流。丹江發(fā)源于陜西省商洛市商州區(qū)秦嶺中段南麓，流經(jīng)陜西、河南、湖北三省，在丹江口匯入漢江，河流全長391km，流域面積16138km2,約占漢江總流域面積的1/10，占丹江口水庫流域面積的17.4%。丹江在河南境內(nèi)全長112km，全在南陽市淅川縣境內(nèi)，落差120m，河床比降1.1‰，河寬一般在500～800m，主要支流為老灌河、淇河和滔河。丹江口水庫建成后，回水至大石橋鄉(xiāng)磨峪灣附近。

1.2 丹江徑流

丹江的徑流主要由降雨形成。根據(jù)丹江荊紫關(guān)水文站1959—2016年實測資料分析，站址處多年平均徑流量13.02億m3，多年平均流量41.3m3/s，徑流年際變化較大，最大年徑流量為46.2億m3(1964年)，最小年徑流量0.79億m3(2002年)，極值比達58.5。丹江徑流年內(nèi)分配十分不均勻，一般是4月開始漲水，5—6月水量增加，7月達到年內(nèi)豐水期，一直延續(xù)到10月底開始降落，至第二年2月出現(xiàn)最枯流量；全年徑流量主要集中在汛期7—10月，占全年徑流總量的 50%～70%。

2 河道水力資源開發(fā)及水生態(tài)現(xiàn)狀

2.1 水力資源開發(fā)情況

丹江干流的水力資源較為豐富，總水能資源理論蘊藏量達22.700萬kW，可開發(fā)量12.760萬kW，其中河南段理論蘊藏量9.196萬kW，可開發(fā)量2.105萬kW。目前河南境內(nèi)丹江干流上建成兩座水電站，由上而下分別為武當山水電站和清涼寺水電站，兩者相距約30km。武當山水電站為引水式電站，清涼寺水電站為河床式電站，發(fā)電尾水退入河道，基本不消耗水，但會導(dǎo)致攔河壩至退水渠區(qū)間河段流量減少。目前兩座水電站均沒有專門的生態(tài)流量泄放和監(jiān)測裝置。

武當山水電站建成于2000年，在淅川縣荊紫關(guān)鎮(zhèn)丹江干流金斗溝口筑壩攔水，經(jīng)9.6km引水渠道至武當山建電站廠房。攔河壩控制流域面積7060km2，引水流量51m3/s，設(shè)計凈水頭18.7m，水電站裝機7500kW，多年平均發(fā)電量3510萬kW·h，下游3km為荊紫關(guān)水文站。

清涼寺水電站建成于2017年，在淅川縣寺灣鎮(zhèn)黨崗村淇河入丹江的匯合口下游丹江干流上建攔河壩，控制流域面積8943km2，引水流量79m3/s，水電站裝機8000kW，電站廠房位于渠首壩左岸，下游6km為磨峪灣水文站。

2.2 水生態(tài)現(xiàn)狀及存在的問題

武當山水電站建設(shè)較早，當時沒有進行環(huán)境評價和水資源論證，為盡可能利用水能資源，未考慮下泄生態(tài)流量，使得電站引水后下游河道生態(tài)流量不足，水電站多年平均引水量37.9m3/s，占河道總流量的92%，河道內(nèi)魚類等水生生物稀少，干旱期壩后減水河段水量嚴重不足，甚至會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。根據(jù)荊紫關(guān)水文站觀測，曾出現(xiàn)2013年近6個月、2014年近8個月、2016年6個月河道斷流現(xiàn)象，2007—2016年10年期間有77個月月均流量小于1m3/s，相當于1年中2/3的時間河道都處于極小流量狀態(tài)，河道生態(tài)功能的退化，已經(jīng)嚴重影響沿河群眾的生產(chǎn)生活。

清涼寺水電站建成較晚，根據(jù)環(huán)評和水資源論證要求，需下泄8m3/s的生態(tài)流量。從實際運行看，河道水量大部分通過渠首壩左岸電站發(fā)電后由2.3km長的尾水渠泄入河道，少部分通過壩頂溢流泄入下游，目前對生態(tài)流量的泄放無法進行有效的監(jiān)管。

3 生態(tài)流量的計算

3.1 生態(tài)流量的含義及計算方法

河道需保持一定的生態(tài)流量，這是維持河道生態(tài)功能的必要條件。河道生態(tài)流量是維持河流生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、保障河流水環(huán)境質(zhì)量、維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最小流量。

生態(tài)流量的計算方法主要有4種：水文學法(歷史流量法)、水力學法、棲息地評價法和整體分析法。其中水文學法主要采用歷史流量資料推算河道生態(tài)流量，常用方法有Tennant法、枯水頻率法、流量歷時曲線法等；水力學法主要通過水力學現(xiàn)場數(shù)據(jù)，分析河道流量與魚類棲息地指示因子的關(guān)系，其常用方法有濕周法和R2-Cross法；棲息地評價法是將河段水力特性與某一給定生物種群偏愛的棲息地聯(lián)系在一起，估計在不同流量條件下，給定生物種群棲息地的數(shù)量，常用的方法為河流流量增量法(IFIM法)；整體分析法從河流生態(tài)系統(tǒng)整體出發(fā)，根據(jù)專家意見綜合研究流量、泥沙輸移、河床形態(tài)與河岸帶群落之間的關(guān)系，一般用于綜合性、大流域生態(tài)需水研究。

3.2 丹江生態(tài)流量的計算

丹江干流河南段現(xiàn)有荊紫關(guān)和磨峪灣兩個水文站，荊紫關(guān)水文站設(shè)立于1958年，集水面積為7086km2，由于武當山水電站引水影響較大，水文站同時觀測電站引水渠水位、流量。磨峪灣水文站設(shè)立于2011年，位于大石橋鄉(xiāng)G209丹江大橋上游，集水面積9113km2，為丹江口水庫丹江流域入庫控制水文站。

根據(jù)丹江實測水文系列較長的實際情況，本次主要采用水文學法中的Tennant法、枯水頻率法、最小月平均流量法、流量歷時曲線法分別計算生態(tài)流量。根據(jù)水文站點分布情況，分別以荊紫關(guān)站和磨峪灣站為代表斷面，對應(yīng)作為武當山水電站和清涼寺水電站壩址斷面成果，其中磨峪灣水文站成果由荊紫關(guān)水文站成果按水文比擬法推算。

3.2.1 Tennant法

Tennant法即蒙大拿法，是目前應(yīng)用最廣泛的生態(tài)流量計算方法,是以歷史流量為基礎(chǔ)確定河道生態(tài)需水量的水文學方法,它采用年平均天然徑流量的百分比作為推薦流量,在不同月份采用不同百分比來估算河道生態(tài)需水量。根據(jù)研究，對于大多數(shù)水生物而言，10%的平均流量是支撐短期生存棲息地的最小瞬時流量，當河流流量占年均流量的30%～60%時，河寬、水深及流速一般是令人滿意的。本次計算一般用水期取多年平均流量的10%，魚類產(chǎn)卵育幼期采用多年平均流量的30%。Tennant法計算結(jié)果見表1。

表1 Tennant法丹江生態(tài)流量計算成果

3.2.2 枯水頻率法

枯水頻率法主要是7Q10法，即90%保證率最枯月連續(xù)7天平均流量，國內(nèi)一般采用7Q10改進法，即近10年最枯月平均流量或90%保證率最枯月平均流量，在我國環(huán)境影響評價中多用此方法。

a.近10年最枯月平均流量法：統(tǒng)計荊紫關(guān)水文站2007—2016年最枯月平均流量并取其均值，經(jīng)計算，荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為5.2m3/s，推算磨峪灣斷面生態(tài)流量為6.7m3/s。

b.90%保證率最枯月平均流量法: 統(tǒng)計荊紫關(guān)水文站1959—2016年最枯月平均流量系列,并進行頻率分析，采用P-Ⅲ型曲線進行適線，取均值8.7m3/s，Cv=0.65，Cs=2Cv，計算荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為2.4m3/s，推算磨峪灣斷面生態(tài)流量為3.0m3/s。

3.2.3 流量歷時曲線法

利用歷史流量資料繪制各月流量歷時曲線，將某個累積頻率相應(yīng)的流量作為生態(tài)流量，頻率P一般可取90%。本次計算采用90%保證率計算各月生態(tài)流量，根據(jù)荊紫關(guān)水文站逐月平均流量系列進行頻率分析，得到各月90%保證率的流量，計算結(jié)果見表2。表2中磨峪灣站采用面積比法推算。

表2 歷時曲線法計算各月生態(tài)流量(P=90%) 單位:m3/s

3.2.4 最小月平均流量法

以河道最小月平均流量的多年平均值作為河道基本生態(tài)需水量。按此方法計算，荊紫關(guān)斷面生態(tài)流量為8.7m3/s，磨峪灣斷面為11.2m3/s。

3.2.5 RVA法

RVA法是1997年由Richter在IHA(Index of Hydrologic Alteration)指標體系的基礎(chǔ)上提出的，通過對比人類活動影響前后的河流水文情勢，反映水利工程建設(shè)及運行對河流流量的影響程度，是基于IHA指標體系的一種評價和管理河道生態(tài)環(huán)境的方法。RVA法通過規(guī)定流量指標的RVA閾值(即上下限)來估算河流生態(tài)流量，通常將IHA各指標發(fā)生概率的75%和25%的值作為RVA的上下限?；赗VA法的生態(tài)流量計算公式為

S生態(tài)=S均值-(S上限-S下限)

式中:S生態(tài)為河道生態(tài)流量,m3/s；S均值為流量均值,m3/s；S上限為 RVA閾值上限,m3/s；S下限為 RVA閾值下限,m3/s。

計算結(jié)果詳見表3。與流量歷時曲線法相比，該法得到的結(jié)果整體偏小約40%。

表3 RVA 法計算的荊紫關(guān)站各月生態(tài)流量結(jié)果 單位:m3/s

3.2.6 計算結(jié)果比較

丹江干流生態(tài)流量不同計算方法結(jié)果對比見表4，從中可見，90%保證率最枯月平均流量法計算結(jié)果最小,Tennant法中一般用水期流量(取多年平均流量的10%)和近10年最枯月平均流量法計算結(jié)果較為接近，基本反映了河流最小生態(tài)需水的要求。歷時曲線法和RVA法考慮了各月份來水流量的差異，Tennant法考慮了魚類等生物不同生育階段的需求，其中RVA法計算的結(jié)果偏小，建議綜合歷時曲線法和Tennant法成果制定逐月生態(tài)流量，為更科學指導(dǎo)生態(tài)流量下泄提供依據(jù)。

表4 丹江干流生態(tài)流量不同計算方法對比 單位:m3/s

3.3 推薦的生態(tài)流量方案

根據(jù)《水利部關(guān)于漢江流域水量分配方案的批復(fù)》(水資源〔2016〕262號)，丹江荊紫關(guān)控制節(jié)點的最小泄流流量為5.1m3/s(相當于荊紫關(guān)站多年平均流量的12.3%)，清涼寺水電站按環(huán)評批復(fù)及水資源論證要求，應(yīng)確保下泄不小于8.0m3/s(相當于磨峪灣站多年平均流量的15.1%)的生態(tài)流量。

結(jié)合本次分析計算，認為上述流量基本可滿足河流最小生態(tài)需水，建議有關(guān)主管部門協(xié)調(diào)武當山水電站在引水發(fā)電的同時要確保下泄不小于5.1m3/s生態(tài)流量，清涼寺水電站應(yīng)下泄不小于8.0m3/s生態(tài)流量；如果天然來水小于上述最小生態(tài)流量，水電站應(yīng)停止發(fā)電，按天然來水下泄。同時，考慮不同月份天然來水的差異性和生態(tài)需求，建議在魚類產(chǎn)卵育幼期加大下泄流量，下泄流量可根據(jù)Tennant法和歷時曲線法結(jié)果擇優(yōu)選定，兩者逐月比較取其大值。各月生態(tài)流量見表5。

表5 推薦采用的各月生態(tài)流量成果 單位:m3/s

4 生態(tài)流量的保障措施

為保護丹江干流生態(tài)，保障生態(tài)流量按照標準泄放，有關(guān)部門應(yīng)加強水資源管理，尤其是規(guī)范小型水電站管理，嚴格審批新建河道內(nèi)取用水項目，已建水電站要完善水資源論證及環(huán)境評價手續(xù)，不滿足要求的應(yīng)實行生態(tài)改造、枯水期限制運行等措施。應(yīng)要求水電站管理單位提出保障生態(tài)流量的措施和調(diào)度方案，按照審批的生態(tài)流量方案保證下泄，恢復(fù)河道水生態(tài)，保證不因發(fā)電導(dǎo)致下游減水河段斷流和水生態(tài)環(huán)境的惡化。

結(jié)合丹江干流已建水電站實際，為保證水電站生態(tài)流量泄放，目前較為簡單可行的方案是采用沖沙閘下泄生態(tài)流量。建議短期內(nèi)開啟攔河壩沖沙閘下泄生態(tài)流量，適時啟動改造渠首壩、增設(shè)專門的生態(tài)泄流孔保障下泄生態(tài)流量。同時要加強下泄流量監(jiān)控，近期可結(jié)合水文站觀測與河道現(xiàn)有視頻裝置進行監(jiān)控，應(yīng)專門增設(shè)水電站生態(tài)泄流在線實時監(jiān)測設(shè)施。鑒于丹江下游為國家級濕地保護區(qū)，建議有關(guān)部門對水電站下游的生態(tài)環(huán)境和生物多樣性進行持續(xù)監(jiān)測評估，并根據(jù)評估情況進一步完善生態(tài)流量泄放方案。

5 結(jié) 語

丹江干流水力資源豐富，水電開發(fā)為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了清潔能源，同時也不容忽視對下游河道生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，科學安排下泄生態(tài)流量是生態(tài)文明建設(shè)的必然要求。本文根據(jù)丹江河道河南段實際，進行丹江生態(tài)流量計算分析，提出了河道生態(tài)流量數(shù)值及保障措施的有關(guān)建議，可供有關(guān)主管部門參考應(yīng)用，也可為其他河道生態(tài)流量計算提供參考。